外源化學物的毒性作用機理毒性作用是化學物與生物人或動物機體

外源化學物的毒性作用機理毒性作用：是化學物與生物（人或動物）機體相互作用的結(jié)果。毒性作用出現(xiàn)的性質(zhì)和強度主要受三個方面的影響：（1）化學物因；（2）機體因素；（3）化學物與機體所處的環(huán)境條件；（4）化學物的聯(lián)合作用化學物因素化學物的生物學活性與其化學結(jié)構(gòu)及理化特性有關系，同時又受化學物的劑型、不純物含量等因素影響。一、化學結(jié)構(gòu)毒物的化學結(jié)構(gòu)決定毒物的理化性質(zhì)和毒物的化學活性，后兩者又決定毒物的毒性，因此化學結(jié)構(gòu)的改變可引起毒性作用的變化。有機毒物在這方面表現(xiàn)比較有規(guī)律。例如：1．苯具有麻醉作用和抑制造血機能的作用，當苯環(huán)中的氫被甲基取代后（成為甲苯或二甲苯）抑制造血機能的作用即不明顯。苯環(huán)中的氫被甲基取代后，其作用性質(zhì)有很大改變，具有形成高鐵血紅蛋白的作用。2．烷、醇、酮等碳氫化合物，碳原子愈多，則毒性愈大（甲醇與甲醛除外）。但碳原子數(shù)超過一定限度時（一般為7?9個碳原子），毒性反而下降（如戊烷毒性作用V己烷V庚烷，但辛烷毒性迅速減低=。3.烷烴類的氫若為鹵族元素取代時，其毒性增強，對肝的毒作用增加；且取代愈多，毒性愈大女口CC14>CHC13>CH2C12>CH3C1。二、理化性質(zhì)化學物質(zhì)的理化特性對于它在外環(huán)境中的穩(wěn)定性，進入機體的機會與體內(nèi)代謝轉(zhuǎn)化過程均有重要影響。例如：溶解度毒物在水中的溶解度直接影響毒性的大小，水中溶解度越大，毒性愈大。如As2S3溶解度較As2O3小3萬倍，其毒性亦小。影響毒性作用部位：如刺激性氣體中在水中易溶解的氟化氫(HF)、氨等主要作用于上呼吸道，而不易溶解的二氧化氮(N02)則可深入至肺泡，引起肺水腫。脂溶性物質(zhì)易在脂肪蓄積，易侵犯神經(jīng)系統(tǒng)。2．分散度毒物顆粒的大小可影響其進入呼吸道的深度和溶解度，從而可影響毒性。3．揮發(fā)性吸人毒物的毒性除與其半數(shù)致死濃度大小有關外，與其揮發(fā)性的大小亦有關。例如：苯與苯乙烯的LC50均為45mg/L左右，但苯的揮發(fā)性較苯乙烯大ll倍，故其危害性遠較苯乙烯為大。在慢性毒性試驗時，用喂飼法染毒應注意毒物的揮發(fā)性，毒物加入飼料中可因揮發(fā)而減低劑量。三、不純物和化學物的穩(wěn)定性在生產(chǎn)環(huán)境中生產(chǎn)或使用的化學物質(zhì)常含有一定數(shù)量的不純物，其中有些不純物的毒性比原來化合物的毒性高，對此若不加注意，可影響對化合物毒性的正確評定。例如除草劑2,4,5-三氯苯氧乙酸(2,4,5-T)，在早期對此化合物進行研究時，由于樣本中夾雜有相當量的四氯二苯-對位-二惡烷(TCDD)(30mg/Kg),此種雜質(zhì)毒性非常大，急性經(jīng)口LD50(雌大鼠)僅為2,4,5-T的雌大鼠經(jīng)口LD50的400萬分之一。因此，即使2,4,5-T中雜質(zhì)含量很低(低于0.5mg/kg)，仍影響其毒性o2,4,5-T的胚胎毒性是由于雜質(zhì)所引起，而不是2,4,5-T本身所致毒物在使用情況下不穩(wěn)定可能影響毒性。如有機磷酸酯殺蟲劑庫馬福司在儲存中形成的分解產(chǎn)物對牛的毒性增加。所以在進行毒理學試驗研究之前，應獲得使用情況下的穩(wěn)定性資料。四、毒物進入機體的途徑毒物可經(jīng)不同途徑進入機體。由于途徑不同，毒物在體內(nèi)經(jīng)歷的過程各異，因而對毒物作用亦產(chǎn)生明顯影響，表5—l列舉了幾種毒物的例子。機體因素各種動物對同一毒物的反應不一。有人據(jù)154種化合物的毒性試驗，所用動物有3?6種，結(jié)果見小鼠敏感者有38種，家兔敏感者28種，狗敏感者44種，可見動物對于不同毒物的敏感性有明顯差異。人對毒物的作用一般比動物敏感。據(jù)260種化合物人與動物致死量的比較，大多數(shù)毒物對動物的致死量要比人高1?10倍，約有3%高出25?450倍，僅有8%左右人的致死量要比動物高。說明大多數(shù)情況人對毒物的敏感性要比動物高，少數(shù)情況動物敏感性高于人。環(huán)境中某些毒物在一定條件(相同劑量及接觸條件)下作用于人群，其中個體之間的反應會有很大差異，可從無任何作用到出現(xiàn)嚴重損傷以至死亡。以服用藥物為例，同一種藥物，經(jīng)肝臟代謝出現(xiàn)于血漿中的半量數(shù)之間，可有3?11倍之差。即使在雙生子之間亦不例外。這對于藥效、毒副反應都會產(chǎn)生明顯影響；那些出現(xiàn)異乎常人反應的人被認為對毒作用有敏感性(susceptibility)，又稱為高危個體(highriskindividual)。接觸其它環(huán)境毒物也有相類似的情況。因此，在預防毒作用的工作中，若能及早發(fā)現(xiàn)這些敏感者的存在，有針對性地給予適當?shù)谋Ｗo措施，比之對整個人群采取全面無差別的保護，可能更為節(jié)省人力、物力并得到更好的效果。毒作用敏感性形成原因是多方面的。目前認為比較重要的是：物種間遺傳學的差異；個體遺傳學的差異；機體的其它因素。一、物種間遺傳學的差異許多種外源性化學物質(zhì)的代謝酶都具有多態(tài)性。目前這方面的研究已進入分子平，很多種代謝酶代謝功能的改變與其相關突變有密切關系。I相酶氧化代謝酶純化的細胞色素P-450酶類有30余種，已知P-450酶系中多種酶參與外源性物質(zhì)代謝。這些酶的多態(tài)性使代謝功能出現(xiàn)很大差異，并因此而影響到對某些毒物的敏感性。例如細胞色素P-450亞型CYP1A1主要催化多環(huán)芳烴(PAH)氧化成酚類及環(huán)氧化物。它的活性可為B(a)P及三甲基膽蒽所誘導。鹵族芳烴(如TCDD)、黃酮類、吲哚類、色氨酸的光衍生物以及紫外線均可誘導CYP1A1活性增高；這種誘導功能在高等動物中有高度保守性，說明這是一類重要的生理功能。70年代初期已有人注意到CYP1A1誘導活性與肺癌的關系，Keller-man發(fā)現(xiàn)，在正常人(85例)中CYP1A1高誘導活性表型9.4％，而在肺癌病人中(50例)則見30.0％，首先提出患肺癌的敏感性與CYP1A1誘導活性有關的見解。其后，Kouri的觀察亦證實這種看法。CYP2D6、2El等亞型與多種毒物代謝有密切關系，對這些毒物的毒性有重要影響。酯酶酯酶參與多種化學毒物的水解。這些酶存在一些變異型，血液膽堿酯酶(AchE)就是一例。環(huán)氧水化酶、(epoxidehydrolase，EH)EH的作用具有二重性，它既是活化酶參與B(a)P的代謝,又與P—450酶系一起使之最后生成終致癌物。EH參與苯妥英、撲熱息痛的滅活代謝，對這類藥的副反應有重要影響。EH活性有明顯的個體差異，因而對攝取苯妥英與其它解痙藥后所產(chǎn)生致畸效應的敏感性亦有不同。EH活性低者，獲得出生缺陷的可能性較大。11相酶1?谷胱苷肽轉(zhuǎn)移酶(GST)許多種疏水性及親電物質(zhì)通過GST與谷胱苷肽結(jié)合形成硫醚酸經(jīng)尿排出體外。GST還可在細胞內(nèi)與膽紅素及一些有機陰離子結(jié)合。已知a、n、卩三種類型GST均有多態(tài)性。GST參與氧化烴類〔包括B(a)P〕的代謝，因而有學者認為這類缺乏與肺癌敏感性有密切關系。國內(nèi)在廣州地區(qū)人群所作的觀察亦見同樣結(jié)果。GST與I相酶的多態(tài)性似有聯(lián)合效應,既要有解毒酶作用的缺陷，又要有活化酶作用的活性加強，對肺癌的敏感性明顯增加。a與n型GST的多態(tài)性亦有報道，但其分子機制仍不清楚。2?其它II相酶包括硫轉(zhuǎn)移酶(ST)、甲基轉(zhuǎn)移酶(MT)、乙?；D(zhuǎn)移酶(NAT)等。它們的活性的多態(tài)亦在某一方面影響毒物活性水平。以NAT為例，不同NAT表型的人與服用異煙肼出現(xiàn)副反應的輕重關系，以后陸續(xù)發(fā)現(xiàn)肼類的神經(jīng)毒性，與藥物有關的紅斑性狼瘡，芳香胺類所致膀胱癌與NAT代謝表型有密切關系。其中芳香族所引起的職業(yè)性膀胱癌在慢代謝型的危險增高16.7倍。N—乙?；侨祟惏螂變?nèi)對某些致癌物(聯(lián)苯胺、a-荼胺)的一種重要解毒機制，N—乙酰化的缺陷(慢N—乙?；?使得對這類腫瘤敏感性增加。另一方面快N—乙?；偷娜藙t見對芳香胺類誘導大腸癌敏感性升高，可見N—乙?；硇团c腫瘤發(fā)生的關系是復雜的。二、個體遺傳學的差異機體所有大分子在其損傷后都會出現(xiàn)相應的修復系統(tǒng)，其作用為將受損傷部位除去，再將空出部分按原樣合成一個新的部分予以填補，使原有的結(jié)構(gòu)和功能得以恢復。這些過程是由于不同功能的酶參與的。各種修復酶亦可能出現(xiàn)多態(tài)性，使修復功能出現(xiàn)明顯個體差異。在大分子物質(zhì)中，蛋白質(zhì)受到損傷，受損部分會受相應蛋白予以填補，有些氨基酸的部分損傷，即可通過相應的酶予以修復。例如甲硫氨基酸殘基受到氧化后，可通過甲硫氨基酸氧化還原酶使之修復。脂質(zhì)出現(xiàn)損傷可通過轉(zhuǎn)移、釋放受損脂質(zhì)，生成更新的脂質(zhì)，使生物膜受損部位得以恢復。有些脂質(zhì)損傷是由相應的酶修復的。修復缺陷對毒作用敏感性的影響，最早受到注意的是著色性干皮病(XP)。這類修復缺陷綜合征的純合子在人群的出現(xiàn)率為1／3000000，雜合子為1／300，以常染色體隱性遺傳。受累者由于有多種DNA修復(切割修復、光修復與復制后修復)缺陷，對于紫外線與一些化學物質(zhì)所產(chǎn)生的DNA損傷敏感性增強。接觸上述物質(zhì)后，皮膚、神經(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生各種損傷癥狀，一部分損傷可導致突變以至癌變。據(jù)Setlow的估計，XP純合子對致癌因素作用的敏感性比之常人高出100倍，雜合子的敏感性亦高出5倍。除XP外，較多見的修復缺陷綜合征有共濟失調(diào)性毛細血管擴張(AT)和先天性全血細胞減少癥(FA)。它們的純合子在人群中出現(xiàn)率分別為1/40000與1/300000,雜合子分別為l/100與1/300，均屬常染色體隱性遺傳。AT純合子對烷化劑、x線損傷的敏感性比之常人高出20倍,雜合子高出5倍。Swift(1991)根據(jù)⑹個AT家族調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)AT雜合子發(fā)生乳腺癌的危險比常人高出6倍。WiericKe(1992)發(fā)現(xiàn)在接觸x線后，常人出現(xiàn)染色體斷裂率為13%，而AT雜合子為63%。FA純合子對于DNA交聯(lián)劑作用敏感性高出常人10倍以上，雜合子則與常人無差異。聚(二磷酸腺苷-核糖)多聚酶(poly[ADP-ribose]polymerase，PARP)是另一類參與DNA斷裂修復的酶。每當DNA出現(xiàn)斷裂時，PARP先與斷裂部位結(jié)合，并出現(xiàn)聚(二磷酸腺昔一核糖)合成和自身修飾，然后才使其它修復酶與斷裂部位接近，并出現(xiàn)切割修復，使斷裂得以重接。PARP是一種分子量為116kD的核酸，哺乳類動物細胞均含有這種酶。它的編碼基因定位于1號染色體(1q41—q42)。這一基因突變的檢查及其后果是當前DNA修復研究領域的一個熱點。此外，DNA連接酶I(DNAligaseI)、DNA聚合酶卩等的多態(tài)性對于修復能力差異的影響亦日漸受到注意。蛋白質(zhì)對于各種外源化學物包括毒物的辨認、結(jié)合有高度的特異性與敏感性，結(jié)果會影響到外源化學物的生物活性。高等生物體內(nèi)還有一類重要蛋白質(zhì)就是受體蛋白，它是毒作用的靶分子，不同毒物作用于不同的受體上。受體本身可產(chǎn)生變異，它在細胞表面上分布的數(shù)量在不同個體、不同的生理狀態(tài)下均可有差異。對這些變化對于毒作用敏感性所產(chǎn)生的影響，目前的認識仍然處于起步階段，但它的重要性已逐漸顯露出來。在60年代初，有人觀察到一些使用麻醉劑如鹵烷類及琥珀膽堿的病人用藥后出現(xiàn)高熱，代謝急劇升高，肌肉僵硬，死亡率高。90年代初才發(fā)現(xiàn)這種病的出現(xiàn)是由于骨骼肌鈣釋放通道受體的缺陷所致，正常受體內(nèi)氨基酸序列上的精氨酸變成了半胱氨酸。二惡烷（TCDD）是另一類通過活化受體起作用的物質(zhì)，它可以結(jié)合到從受體上使之活化。Ah受體活化后，與轉(zhuǎn)錄因子（從受體轉(zhuǎn)運蛋白）形成異種二聚體。這種三元復合物結(jié)合到DNA的調(diào)控序列上，使某些蛋白（例如CYP1A1、1A2）的表達出現(xiàn)改變，而其中某些蛋白與毒物的活化過程有關。TCDD作用的強弱與其占有從受體的數(shù)量有關。當進入體內(nèi)的數(shù)量低不能占據(jù)所有Ah受體時，其毒作用（包括致癌作用）會出現(xiàn)閡值現(xiàn)象。另一方面，受體可以出現(xiàn)變異型，其生物活性會產(chǎn)生變化，因而影響對于相應外源化學物的反應。三、宿主其它因素對于毒作用敏感性影響宿主的健康狀況（疾病、免疫狀態(tài)）、生理狀況（年齡、性別等）、營養(yǎng)狀況、生活方式等因素對于毒作用的敏感性可以產(chǎn)生不同程度的影響，是研究毒作用敏感性不可忽略的方面。（一）健康狀況當一種疾病對于機體所產(chǎn)生的損害和某種毒物作用的部位或方式相同，一旦接觸這種毒物，往往會加劇或加速毒作用的出現(xiàn)。目前一些學者注意到一些遺傳缺陷或遺傳病與毒作用敏感性的關系。某些遺傳病的純合子多有癥狀，且比較典型，是不易被忽略的。但這些病的雜合子癥狀輕微或全無癥狀，表面看來完全健康，當接觸某種有害物質(zhì)時，正常人不出現(xiàn)任何反應，而這類人則會出現(xiàn)不同程度的損害。例如著色性干皮病、共濟失調(diào)性毛細血管擴張病、劇刪n綜合征和先天性全血細胞減少癥等的雜合子對紫外線、烷化劑或某些化學致癌物作用的敏感性就不同于常人。目前面臨的問題是：除了上述遺傳缺陷外，是否還有其它在人群中分布更廣、發(fā)生率更高的遺傳缺陷會對某些毒作用的敏感性產(chǎn)生影響?通過近年的研究，答案是肯定的。這類遺傳缺陷的名單已愈來愈長。有一些學者建議在接收接觸某些工業(yè)毒物的新工人時，要考慮將一些遺傳缺陷列為禁忌證。這對于保護高危人體，降低某些毒物危害的發(fā)生率無疑會起到重要作用?；加懈?、腎疾病對于外源化學物吸收、分布、代謝與排泄會產(chǎn)生不同程度的影響。例如患有嚴重肝炎與肝硬化的病人可見肝內(nèi)細胞P—450含量下降50%，患有急性化學性肝壞死的病人血漿內(nèi)苯巴比妥、安替比林的半減期延長一倍。腎臟作為重要的排泄器官若出現(xiàn)功能下降或衰竭，對于許多種毒物的排泄半減期亦出現(xiàn)延長作用，這對于藥效和毒效都會產(chǎn)生影響。免疫狀態(tài)對于某些毒作用的反應性質(zhì)和程度有直接影響，過低或過高的免疫反應水平都可能帶來不良的后果。過敏性反應可出現(xiàn)與接觸多種藥物和金屬毒物時，但一般發(fā)生率都不太高。這類反應主要見于少數(shù)敏感者，最好能在接觸這類致敏物前發(fā)現(xiàn)這類敏感者，以便及時采取適當?shù)拇胧?。（二）年齡年齡對于敏感性是一種重要的影響因素，各個系統(tǒng)和器官的功能狀態(tài)在不同年齡有明顯的差異。新生兒對于大多數(shù)的毒物來說都比成年人敏感。新生大鼠對于多數(shù)的受試藥物或毒物的致死效應的敏感性比成鼠高出約0.1—20倍。有人認為這是由于新生鼠的藥動力學與成年鼠有很大不同。以氯霉素作用為例，它對新生鼠很容易引起心血管衰竭。原因是幼鼠缺乏葡萄糖醛酸與這類抗生素結(jié)合，使氯霉素在幼鼠血中濃度高而且保留時間長，毒作用增強而且持續(xù)時間長所致。生物膜的透過性亦明顯影響毒作用。幼兒的血腦屏障發(fā)育不完備，因此幼兒攝入磺胺酰胺時，由于它先與血漿蛋白結(jié)合，使血內(nèi)膽紅素游離并通過發(fā)育不完全的血腦屏障進人中樞神經(jīng)系統(tǒng)而造成損害。老年人對于毒作用的敏感性常明顯高于中、青年人，這與老年人多個系統(tǒng)或器官的功能出現(xiàn)下降有關。代謝速度變慢，使游離毒物在體內(nèi)停留的時間延?長。體內(nèi)I、II相酶類變化與年齡關系不大，但個別器官有例外。例如晶體內(nèi)的GsT隨年齡增大而逐漸減少。在眾多的系統(tǒng)中可以神經(jīng)系統(tǒng)為例說明年齡增長的影響。老年人神經(jīng)遞質(zhì)的合成能力下降，會加強某些神經(jīng)毒物對機體的作用。例如二硫化碳（CS2）對于神經(jīng)系統(tǒng)錐體外系的作用是通過抑制多巴胺一卩一經(jīng)化酶，使多巴胺轉(zhuǎn)化成腎上腺素的能力下降。老年人這方面的功能已漸漸低下，而且腎上腺受體亦趨于減少。在這種情況下接觸CS2,對其毒作用的敏感性理所當然會顯見增加。類似的情況亦見之于其它系統(tǒng)，因此對于老年人使用藥物或接觸毒物都要持謹慎的態(tài)度。（三）性別性別亦可能造成敏感性差異，已有大量動物實驗可予以證明。但在人類是否同樣有這種差異存在?不同學者之間觀察結(jié)論常不一樣，目前尚難以定論。（四）營養(yǎng)條件機體的營養(yǎng)狀況對于毒物的代謝、儲存和毒性都有密切影響。例如低蛋白食物可使微粒體酶活性下降。動物飼以含蛋白量為20％的飼料與含5％蛋白飼料的動物相比，前者微粒體酶活性比后者高出一倍。同樣接觸一些肝毒物（例如四氯化碳），其毒性在低蛋白組顯著加強。至于在人類是否有同樣的影響，目前仍缺乏明確的證據(jù)予以說明。近年有一些學者研究了限量飲食（dietaryrestriction,DR）對于動物的影響。耶是指給予動物應有飼料量的60%,但補充足夠的維生素和礦物質(zhì)。有'人認為它可以延長動物的壽命，對于腫瘤的自然發(fā)生和化學誘癌有抑制作用。動物試驗證明了DR可增加大鼠肝和腎臟的GST活性，使致癌物所形成的加合物減少。因此，DR在什么條件下發(fā)生這種有益作用，及DR對人類是否亦有同樣作用引起了廣泛的注意。（五）動物籠養(yǎng)形式動物籠的形式、每籠裝的動物數(shù)、墊籠的草和其它因素也能影響某些化學物質(zhì)的毒性。例如異丙基腎上腺素對單獨籠養(yǎng)三周以上的大鼠，其急性毒性明顯高于群養(yǎng)的大鼠。養(yǎng)于“密閉”籠（四壁和底為薄鐵板）內(nèi)的群鼠對嗎啡等物質(zhì)的急性毒性較養(yǎng)于“開放”籠（鐵絲籠）中的大鼠為低。歸納而言，造成機體對于毒物敏感的原因看來是多方面的。這些因素之間相互影響，最后形成一個綜合的機體敏感性。這方面的研究目前仍然處于初步的階段。對于毒作用敏感性的深入研究將會加深對毒作用發(fā)生、發(fā)展機制的認識，并進一步推動實際預防工作向前發(fā)展。環(huán)境因素一、氣象條件有人比較了58種化合物在不同環(huán)境溫度（8°C、26°C和36°C）下對于大鼠LD50的影響。結(jié)果表明，55種化合物在36C高溫環(huán)境下毒性最大，26C環(huán)境下毒性最小。引起代謝增高的毒物如五氯酚，2,4-二硝基酚在8°C毒性最低，而引起體溫下降的毒物如氯丙嗪在8°C時毒性最高。環(huán)境溫度的改變可引起不同程度的生理、生化系統(tǒng)和內(nèi)環(huán)境穩(wěn)定系統(tǒng)的改變，如改變某些生理功能（通氣、循環(huán)、體液、中間代謝等）并影響毒物的吸收、代謝、毒性等。其它物理因素如氣壓、氣溫的改變對某些毒物的毒性亦有影響。二、季節(jié)或晝夜節(jié)律生物體的許多機能活動常有周期性的波動。如24小時的(晝夜節(jié)律)或更長周期(季節(jié)節(jié)律)的波動。毒物的毒性可因每日給藥的時間不同或給藥的季節(jié)不同而有差異。如苯巴比妥對小鼠的睡眠作用于下午2時給藥的出現(xiàn)睡眠時間最長，而清晨2時給藥睡眠時間最短(約為下午2時給藥的40％一60％)。大鼠血嗜酸性粒細胞；淋巴細胞和白細胞計數(shù)的量均呈現(xiàn)晝夜節(jié)律。人排出某些藥物的速度亦顯示有晝夜節(jié)律。例如口服水楊酸，于早上8時服，排出速度慢，在體停留時間最長，而晚上8時服，排出速度快，在體內(nèi)停留時間最短。這種機能活動的晝夜節(jié)律有的是受體內(nèi)某種調(diào)節(jié)因素所控制，如切除腎上腺后的大鼠其晝夜節(jié)律變得不明顯；有的是受外環(huán)境因素如進食、睡眠、光、溫度等所調(diào)節(jié)，如單獨籠養(yǎng)動物晝夜節(jié)律的幅度減小。動物處于24小時光照下晝夜節(jié)律消失。大鼠對吸入二氯乙烯(vinyli—denechloride)毒性